制備耐磨鋼板的方法以及由此制得的鋼板的制作方法

專利名稱：制備耐磨鋼板的方法以及由此制得的鋼板的制作方法
技術領域：
本發明涉及耐磨鋼材及其制備方法。
背景技術：
已知的耐磨鋼材具有約600 Brinell的硬度。這些鋼中含有0.4％至0.6％的碳和0.5％至3％的至少一種合金元素，例如錳、鎳、鉻和鉬，所述鋼材經過淬火以便獲得完全的馬氏體結構。然而，這些鋼材的焊接和切割是非常困難的。為了克服上述缺陷，已經建議，特別是在EP0739993中，使用硬度較低的鋼材來實現上述目的，所述鋼材的碳含量約為0.27％，且在其淬火后的結構中包含大量的殘留奧氏體。然而，所述鋼材仍然難于焊接或切割。

發明內容
本發明的目的是要通過提供一種耐磨的鋼板來克服現有技術的上述缺陷，所述鋼板的耐磨性與已知鋼板相當，但其更適用于焊接和熱切割。
為此，本發明涉及一種制備耐磨的鋼制工件特別是板材的方法，所述工件的化學組成以重量計包含0.24％≤C≤0.35％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.5％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；
0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤1％；0％≤W≤2％；0.1％≤Mo+W/2≤1％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤1.1％；0％≤Zr≤2.2％；0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任選的0％至1.5％的銅；-任選的選自Nb、Ta和V中的至少一種元素，它們的含量滿足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任選的選自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一種元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的鐵和制備過程中產生的雜質；所述化學組成還滿足如下關系C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，更優選大于2，其中，如果B＞0.0005％，則K＝0.5；如果B＜0.0005％，則K＝0。
根據所述方法，在例如輥軋熱的熱成形熱量中對所述工件或板材進行熱淬火處理，或者在奧氏體化之后通過在爐中再加熱來實施淬火處理，所述淬火處理包括-以大于0.5℃/s的平均冷卻速率冷卻所述板材，將溫度從高于AC3的溫度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之間，其中溫度以℃表示，C*、Mn、Cr、Mo和W的含量以重量％表示；-隨后以小于1150×ep-1.7(以℃/s計)且高于0.1℃/s的平均型芯冷卻速率Vr冷卻所述板材，將溫度從T降至100℃，其中ep為以mm計的板厚；-然后將所述板材冷卻至室溫，并任選進行精軋。
在淬火之后任選在低于350℃的溫度下進行回火處理，并優選在低于250℃的溫度下進行回火處理。
本發明還涉及一種由上述方法制得的板材，所述鋼材具馬氏體結構或馬氏體/貝氏體結構，其中包含5％至20％的殘留奧氏體以及碳化物。所述板材的厚度可以在2mm至150mm之間，其表面平整度以偏差(deflection)表示為小于12mm/m，優選小于5mm/m。
下面通過實施例詳細描述本發明，但這些并非對本發明的限制。
為了制備本發明的板材，制備以重量％計具有如下化學組成的鋼-0.24％至0.35％的碳，以形成大量的碳化物，從而獲得足夠的硬度，并保證足夠的焊接適應性；碳含量優選低于0.325％，更優選低于0.3％。
-0％至1.1％的Ti，0％至2.2％的Zr。Ti和Zr的含量需要滿足Ti+Zr/2大于0.35％，優選大于0.4％，更優選大于0.5％，以形成大量的粗的碳化物。然而，Ti+Zr/2的總量要低于1.1％，以便在形成碳化物之后，在基質中保留足夠量的碳。如果需要優先考慮材料的韌性，則所述總量優選低于1％，更優選低于0.9％，再優選低于0.7％。從而鈦含量必須優選保持在低于1％，更優選低于0.9％或者低于0.7％，而鋯含量必須優選保持在低于2％，更優選低于0.8％或低于1.4％。
-0％(或痕量)至2％的Si和0％(或痕量)至2％的Al，Si+Al的總量在0.5％至2％之間，優選大于0.7％。這些元素不僅是脫氧劑，還具有促進亞穩定的奧氏體的形成的作用，所述奧氏體含有大量的碳，其在轉化成馬氏體結構時伴隨較大的膨脹，這能夠促進鈦或鋯碳化物的固著。
-0％(或痕量)至2％或2.5％的Mn，0％(或痕量)至4％或5％的Ni，和0％(或痕量)至4％或5％的Cr，以便獲得足夠的可淬火性(quenchability)并調整各種力學特性或使用性能。鎳對于提高韌性特別有利，但是鎳較為昂貴。鉻也能夠在馬氏體或貝氏體結構中形成細的碳化物。
-0％(或痕量)至1％的Mo和0％(或痕量)至2％的鎢，Mo+W/2的總量在0.1％至1％之間，優選低于0.8％，更優選低于0.6％。這些元素能夠提高可淬火性并在馬氏體或貝氏體結構中形成細的硬化碳化物，特別是借助在冷卻過程中由于自發回火而引起的沉積。Mo的含量無需超過1％即可達到理想的效果，特別是對于硬化碳化物的沉積。可以使用兩倍用量的鎢來部分或全部代替鉬。然而，實際上這種替換是不理想的，因為與鉬相比鎢沒有帶來更多的好處而且價格更貴。
-任選的0％至1.5％的銅。銅元素可以在不影響可焊接性的情況下帶來附加的硬化效果。銅含量高于1.5％時，效果沒有明顯的提高，反而導致熱軋困難和不必要的成本增加。
-0％至0.02％的B。任選加入硼元素來提高可淬火性。為了達到所需的效果，硼元素的含量優選高于0.0005％，更優選高于0.001％，但基本上無需超過0.01％。
-不超過0.15％的硫。作為殘余物，硫元素的含量通常限制在0.005％或更低，但是為了改善可加工性，也可以主動提高硫的含量。應當指出的是，在存在硫的情況下，為了避免在熱變形中出現困難，錳的含量必須高于硫含量的7倍。
-任選的選自Nb、Ta和V中的至少一種元素，它們的含量滿足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％，以便形成較粗的碳化物，從而改善耐磨性。但是由這些元素形成的碳化物的效果不如由鈦或鋯形成的碳化物的效果好，因此，任選添加這些元素，并限制它們的用量。
-任選的選自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一種元素，其中每種含量均少于0.1％。這些元素用于改善可加工性。應當指出的是，當鋼中含有Se和/或Te時，考慮到硫的含量，錳的含量要保證能夠形成錳的硒化物或碲化物。
-余量的鐵和制備過程中產生的雜質。所述雜質尤其包括氮，氮含量取決于制備方法，但是不超過0.03％。氮元素能夠于鈦或鋯反應形成氮化物，所形成的氮化物一定不能太粗，以免損害韌性。為了防止形成粗的氮化物，可以向鋼水中非常緩慢地加入鈦和鋯，例如可以將氧化相(例如含有鈦或鋯的氧化物的礦渣)與氧化鋼水接觸，然后將鋼水脫氧，以使鈦或鋯從氧化相緩慢擴散到鋼水中。
另外，為了獲得滿意的特性，碳、鈦、鋯和氮元素的含量必須滿足 C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，其中C-Ti/4-Zr/8+7×N/8＝C*，C*表示在沉積鈦和鋯的碳化物之后的自由碳含量，考慮到鈦和鋯的氮化物的形成。所述自由碳含量必須高于0.095％，優選C*≥0.12％，以獲得硬度最低的馬氏體結構。自由碳含量越低，材料的焊接或熱切割適應性越好。
考慮到所要生產的板材的厚度，必須對上述化學組成進行進一步的選擇，以確保鋼材具有足夠的可淬火性。為此，所述化學組成還必須滿足如下關系淬火指數(Tremp)＝1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，優選大于2，其中如果B≥0.001％，則K＝0.5；如果B＜0.001％，則K＝0。
另外，為了獲得良好的耐磨性，所述鋼材的微觀結構主要由馬氏體或貝氏體結構或兩種結構的混合結構構成，并包含5％至20％的奧氏體結構。所述結構還包含在高溫下形成的粗的鈦或鋯碳化物或者鈮、鉭或釩碳化物。本發明人發現所述粗的碳化物的過早析出會損害粗碳化物改進耐磨性的效果，而亞穩定的奧氏體的存在則可以防止碳化物的過早析出，由于磨損現象的影響這些奧氏體發生轉化。由于亞穩定的奧氏體的轉化往往伴隨著膨脹，發生在磨損亞層(abradedsub-layer)中的所述轉化有利于阻止碳化物的析出，從而改善磨損耐性。
另外，由于所述鋼的硬度較高并且其中還存在脆化的鈦碳化物，需要盡可能地減少精軋操作。鑒于此，本發明人發現通過充分減慢貝氏體/馬氏體轉化區間的降溫速率，可以減少產物的殘余變形，從而可以減少精軋操作。本發明人發現通過以小于1150×ep-1.7(其中ep為以mm計的板厚，冷卻速率以℃/s表示)的冷卻速率Vr將溫度降至低于T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)，一方面促進了顯著比例的殘余奧氏體的生成，另一方面還減少了由相變引起的殘余應力。通過降低所述應力，一方面可以減少精軋處理或方便精軋處理的進行，另一方面降低了在隨后的焊接和彎曲處理中發生斷裂的可能性。
為了制備具有良好的耐磨性的非常平的板材，制備所述鋼材并將其澆鑄成板材或棒材。將所述板材或棒材熱軋以制備板材，然后對該板材進行熱處理，以便不經過進一步的精軋或通過有限的精軋來獲得希望的結構和良好的表面平整度。所述熱處理可以直接在輥軋熱中進行也可以隨后進行，任選在冷精軋或中溫精軋之后。
為了進行所述熱處理操作-在將所述鋼材加熱至高于AC3點后或者直接在熱軋之后，以高于0.5℃/s的平均冷卻速率，即高于貝氏體的臨界轉化速率，將所述板材冷卻至等于或略低于溫度T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)，(以℃表示)，以防止鐵素體或珍珠體(ferritic orperlitic constituents)成分的形成；此處略低于溫度T的溫度指的是T至T-50℃之間的溫度，優選T至T-25℃之間的溫度，更優選T至T-10℃之間的溫度；-隨后，以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s(以獲得足夠的硬度)的平均型芯冷卻速率Vr冷卻所述板材，將溫度從上述溫度降至約100℃，以獲得所需的結構；-然后將所述板材冷卻至室溫，優選低的冷卻速率但并非必須。
另外，可以在低于或等于350℃的溫度下，優選在低于或等于250℃的溫度下，進行應力釋放處理。
以這種方式可以制得一種板材，其厚度可以在2mm至150mm之間，并且在不經精軋或僅經過適度精軋的情況下其具有優異的表面平整度，所述表面平整度以偏差表示為小于12mm/m。所述板材的硬度在280HB至450HB之間。該硬度基本上取決于自由碳的含量C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8。
舉例來說，制備根據本發明的鋼板A和C以及現有技術鋼板D和E。鋼板的化學組成(以10-3重量％表示)、硬度和耐磨性指數Rus列于表1中。
在裝有分級石英粒料的容器中旋轉棱柱狀試樣持續5小時，根據該試樣的重量損失來確定鋼材的耐磨性。
鋼材的耐磨性指數Rus等于所測鋼材的耐磨性與參照鋼材(鋼材D)耐磨性的比值的100倍。如果測得鋼材的耐磨性指數Rus等于110，則該鋼材的耐磨性比參照鋼材的耐磨性高10％。
所有鋼板的厚度均為27mm，并在900℃下進行奧氏體化后對它們進行淬火。
在奧氏體化之后-對于鋼板A和C，根據本發明方法，以7℃/s的平均冷卻速率將溫度降至上述溫度T之上，然后以1.6℃/s的平均冷卻速率將溫度降至T之下；-對于鋼板B，根據本發明方法，以0.8℃/s的平均冷卻速率將溫度降至上述溫度T之上，然后以0.15℃/s的平均冷卻速率將溫度降至T之下；-對于作為對照的鋼板D和E，以24℃/s的平均冷卻速率將溫度降至上述溫度T之上，然后以12℃/s的平均冷卻速率將溫度降至T之下。
表1

本發明板材具有自發回火的馬氏體/貝氏體結構，其中含有約5％至20％的殘留奧氏體以及粗的鈦碳化物，而對照板材則具有完全的馬氏體結構。
對耐磨性和硬度的比較表明，盡管與對照板材相比，本發明板材的硬度低了很多，但是本發明板材具有稍好的耐磨性。對自由碳含量的比較表明，本發明板材含有少得多的自由碳，但其耐磨性卻很好，與現有技術板材相比，本發明板材由于含有較少的自由碳，因此在焊接和熱切割適用性方面得到了顯著改善。而且，未經精軋的本發明鋼板A至C的冷卻后變形約為5mm/m，而對于對照鋼板D和E所述冷卻后變形為16mm/m。這些結果表明本發明制得的產品具有較低的變形。
根據對產品表面平整度的不同要求，由本發明帶來的好處分別是-可以直接提供產品而無需經過精軋，從而降低了成本，減少了殘余應力；-或者為了滿足更嚴格的表面平整度要求(例如5mm/m)而進行精軋，但所述精軋較為容易并需要使用較小的壓力，因為本發明產品本身的變形是較小的。
權利要求
1.一種制備耐磨的鋼制工件或板材的方法，所述工件或板材的化學組成以重量計包含0.24％≤C≤0.35％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.5％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤1％；0％≤W≤2％；0.1％≤Mo+W/2≤1％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤1.1％；0％≤Zr≤2.2％；0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任選的0％至1.5％的銅；-任選的選自Nb、Ta和V中的至少一種元素，它們的含量滿足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任選的選自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一種元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的鐵和制備過程中產生的雜質；所述化學組成還滿足如下關系C*＝C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，則K＝0.5；如果B＜0.0005％，則K＝0；根據所述方法，在例如輥軋熱的熱成形熱量中對所述工件或板材進行熱淬火處理，或者在奧氏體化之后通過在爐中再加熱來實施淬火處理，所述淬火處理包括-以大于0.5℃/s的平均冷卻速率冷卻所述工件或板材，將溫度從高于AC3的溫度降至T＝800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2)和T-50℃之間；-隨后以小于1150×ep-1.7且高于0.1℃/s的平均型芯冷卻速率Vr冷卻所述工件或板材，將溫度從T降至100℃，其中ep為以mm計的板厚；-然后將所述工件或板材冷卻至室溫，并任選進行精軋。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于Ti+Zr/2≥0.4％。
4.根據權利要求1-3任一所述的方法，其特征在于C*≥0.12％。
5.根據權利要求1-4任一所述的方法，其特征在于Si+Al≥0.7％。
6.根據權利要求1-5任一所述的方法，其特征在于再在低于或等于350℃的溫度下進行回火處理。
7.根據權利要求1-6任一所述的方法，其特征在于為了向鋼材中加入鈦，將鋼水與含鈦礦渣接觸，以使礦渣中的鈦緩慢擴散到鋼水中。
8.一種耐磨的鋼制工件特別是板材，所述工件的化學組成以重量計包含0.24％≤C≤0.35％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.5％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤1％；0％≤W≤2％；0.1％≤Mo+W/2≤1％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤1.1％；0％≤Zr≤2.2％；0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；-任選的0％至1.5％的銅；-任選的選自Nb、Ta和V中的至少一種元素，它們的含量滿足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；-任選的選自Se、Te、Ca、Bi和Pb中的至少一種元素，其含量少于或等于0.1％；-余量的鐵和制備過程中產生的雜質；所述化學組成還滿足如下關系C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0.095％，和1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞1.8，其中，如果B≥0.0005％，則K＝0.5；如果B＜0.0005％，則K＝0；所述鋼材具有馬氏體結構或馬氏體/貝氏體結構，所述結構中還包含5％至20％的殘留奧氏體和碳化物。
9.根據權利要求8的工件，其特征在于1.05×Mn+0.54×Ni+0.50×Cr+0.3×(Mo+W/2)1/2+K＞2。
10.根據權利要求8或9的工件，其特征在于Ti+Zr/2≥0.4％。
11.根據權利要求8-10任一所述的工件，其特征在于C*≥0.12％。
12.根據權利要求8-11任一所述的工件，其特征在于Si+Al≥0.7％。
13.根據權利要求8-12任一所述的工件，其特征在于其是厚度為2mm至150mm的板材。
全文摘要
本發明涉及一種制備耐磨鋼板的方法，所述鋼板的化學組成包括0.24％≤C≤0.35％；0％≤Si≤2％；0％≤Al≤2％；0.5％≤Si+Al≤2％；0％≤Mn≤2.5％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤5％；0％≤Mo≤1％；0％≤W≤2％；0.1％≤Mo+W/2≤1％；0％≤B≤0.02％；0％≤Ti≤1.1％；0％≤Zr≤2.2％；0.35％≤Ti+Zr/2≤1.1％；0％≤S≤0.15％；N＜0.03％；任選的0％至1.5％的銅；任選的Nb、Ta和V，它們的含量滿足Nb/2+Ta/4+V≤0.5％；任選的不多于0.1％的Se、Te、Ca、Bi或Pb；余量的鐵和雜質。另外，所述化學組成還滿足0.095％≤C
文檔編號C21D1/19GK1714159SQ200380103628
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月13日 優先權日2002年11月19日
發明者讓·貝吉諾, 讓-喬治·布里松 申請人:工業鋼克魯梭公司